PLC与物联网集成简介

PLC与物联网集成简介

PLC简介

什么是PLC

PLC (Programmable Logic Controller) 即可编程逻辑控制器，是一种专门用于工业自动化控制的计算机设备。

PLC的”可编程”体现在哪里？

软件编程（主要方式）

PLC的”可编程”主要体现在软件编程上，而不是物理接线：

编程方式：

• 梯形图 (Ladder Logic)：类似电气原理图的图形化编程
• 功能块图 (FBD)：使用功能块进行逻辑编程
• 指令列表 (IL)：类似汇编语言的文本编程
• 结构化文本 (ST)：类似Pascal的高级语言编程
• 顺序功能图 (SFC)：用于顺序控制的图形编程

编程示例（梯形图）：

    X0         Y0
───| |───────( )───
    |         |
    X1        |
───| |───────┤
    |         |
    X2        |
───| |───────┤

说明：当X0、X1、X2三个输入都为ON时，输出Y0为ON

物理连接（固定方式）

• 硬件接线：传感器、执行器的物理连接是固定的
• 模块配置：通过配置软件设置模块参数
• 通信设置：配置网络地址、协议参数等

编程 vs 接线的区别

传统继电器控制：
物理接线 → 固定逻辑 → 难以修改

PLC控制：
软件编程 → 灵活逻辑 → 易于修改

PLC程序更新机制

程序存储位置

PLC程序不是写入固件或芯片，而是存储在程序存储器中：

┌─────────────────────────────────────────┐
│               PLC系统                   │
├─────────────────┬───────────────────────┤
│    CPU模块      │     扩展模块          │
│  (主控制器)     │  (DI/DO/AI/AO模块)    │
├─────────────────┼───────────────────────┤
│   程序存储器    │   数据存储器          │
│  (Flash/EEPROM) │  (RAM)               │
├─────────────────┼───────────────────────┤
│   固件程序      │   用户程序            │
│  (系统程序)     │  (应用程序)           │
└─────────────────┴───────────────────────┘

程序更新过程

1. 编程软件：在PC上使用编程软件编写程序
2. 编译下载：程序编译后通过通信接口下载到PLC
3. 程序存储：程序存储在PLC的Flash或EEPROM中
4. 程序执行：PLC运行时从存储器读取程序执行

存储层次结构

┌─────────────────────────────────────────┐
│               PLC存储器                 │
├─────────────────┬───────────────────────┤
│   系统固件      │   用户程序            │
│  (不可修改)     │  (可编程修改)         │
├─────────────────┼───────────────────────┤
│   操作系统      │   控制逻辑            │
│   通信协议      │   数据处理            │
│   系统功能      │   用户算法            │
└─────────────────┴───────────────────────┘

程序更新方式

在线更新：

• PLC运行时可以更新程序
• 支持热插拔，无需停机
• 新程序立即生效

离线更新：

• PLC停止运行时更新程序
• 完全替换原有程序
• 需要重新启动PLC

通信接口

• 串口通信：RS232/RS485
• 以太网：TCP/IP
• USB接口：直接连接
• 无线通信：WiFi/4G

PLC的主要特点

• 工业级设计：适应恶劣工业环境，抗干扰能力强
• 实时控制：能够进行毫秒级的实时控制
• 可编程性：通过软件编程实现不同的控制逻辑
• 模块化设计：可根据需要扩展各种功能模块

PLC的基本组成

┌─────────────────────────────────────────┐
│               PLC系统                   │
├─────────────────┬───────────────────────┤
│    CPU模块      │     扩展模块          │
│  (主控制器)     │  (DI/DO/AI/AO模块)    │
├─────────────────┼───────────────────────┤
│   电源模块      │   通信模块            │
│  (供电系统)     │  (网络通信)           │
└─────────────────┴───────────────────────┘

PLC的应用领域

• 制造业：生产线控制、机器人控制
• 电力系统：变电站控制、配电系统
• 化工行业：过程控制、安全联锁
• 建筑自动化：楼宇控制、HVAC系统
• 交通系统：信号控制、电梯控制

PLC的工作原理

1. 输入采集：从传感器、开关等设备采集信号
2. 逻辑处理：根据程序执行控制逻辑
3. 输出控制：控制执行器、电机等设备
4. 通信交互：与其他系统进行数据交换

PLC = 工业级小型计算机系统

计算机系统的基本组成

PLC确实具备计算机系统的所有基本要素：

┌─────────────────────────────────────────┐
│            PLC计算机系统                │
├─────────────────┬───────────────────────┤
│   中央处理器    │     存储器系统        │
│   (CPU)        │  (程序+数据存储器)     │
├─────────────────┼───────────────────────┤
│   输入输出      │     通信接口          │
│   (I/O系统)     │  (网络+串口)          │
├─────────────────┼───────────────────────┤
│   操作系统      │     应用程序          │
│   (固件)       │  (用户程序)           │
└─────────────────┴───────────────────────┘

与普通计算机的对比

组件	普通计算机	PLC
CPU	通用处理器(Intel/AMD)	专用微控制器/处理器
内存	RAM + 硬盘	RAM + Flash/EEPROM
操作系统	Windows/Linux	实时操作系统(RTOS)
输入输出	键盘/鼠标/显示器	数字/模拟I/O模块
通信	以太网/WiFi/USB	工业通信协议
应用	通用软件	控制程序

PLC的计算机特性

1. 硬件架构

• CPU：执行控制逻辑和数据处理
• 存储器：程序存储(Flash) + 数据存储(RAM)
• I/O系统：数字/模拟输入输出
• 通信接口：网络和串口通信

2. 软件架构

• 操作系统：实时操作系统(RTOS)
• 应用程序：用户编写的控制程序
• 系统服务：通信、诊断、监控功能

3. 计算机功能

• 数据处理：数值计算、逻辑运算
• 程序执行：顺序执行、循环控制
• 通信功能：网络通信、协议转换
• 存储管理：数据存储、程序管理

工业级设计特点

1. 环境适应性

• 温度范围：-40°C ~ +70°C
• 湿度范围：5% ~ 95% RH
• 抗振动：符合工业标准
• 抗干扰：EMC电磁兼容性

2. 可靠性设计

• 冗余设计：CPU、电源、通信冗余
• 故障诊断：自诊断和故障报警
• 热插拔：支持模块热插拔
• 看门狗：系统监控和自动复位

3. 实时性能

• 扫描周期：毫秒级响应
• 确定性：可预测的响应时间
• 优先级：任务优先级管理
• 中断处理：快速中断响应

与嵌入式系统的关系

PLC可以看作是专门用于工业控制的嵌入式系统：

嵌入式系统家族：
┌─────────────────────────────────────────┐
│           嵌入式系统                    │
├─────────────────┬───────────────────────┤
│   消费电子      │     工业控制          │
│   (手机/平板)   │   (PLC/RTU/DCS)       │
├─────────────────┼───────────────────────┤
│   汽车电子      │     医疗设备          │
│   (ECU/BCM)     │   (监护仪/CT)         │
└─────────────────┴───────────────────────┘

PLC板子上的”设备”概念

• PLC板子上的模块：是PLC的扩展部分，通过内部总线通信
• 真正的设备：是连接在PLC外部的传感器、执行器等

以西门子PLC板为例。

┌─────────────────────────────────────────┐
│              西门子S7-1200 PLC          │
├─────────────────┬───────────────────────┤
│    CPU模块      │     扩展模块          │
│  (主控制器)     │  (DI/DO/AI/AO模块)    │
├─────────────────┼───────────────────────┤
│    S7协议       │   内部总线通信        │
│  (对外接口)     │  (Profibus/Profinet)  │
└─────────────────┴───────────────────────┘

PLC协议作用

相当于再套了一层协议。

• 统一对外接口：让上层系统不需要了解每个外部设备的具体协议
• 协议转换：发生在PLC内部，将各种设备协议转换为统一的数据格式
• 数据封装：将不同协议的数据统一存储在PLC数据块中

PLC协议层次架构

第一层：设备层协议

• Modbus RTU/TCP: 直接与PLC内部寄存器、线圈通信
• S7 Protocol: 直接访问西门子PLC的数据块
• MELSEC: 直接操作三菱PLC的内部数据
• FINS: 直接控制欧姆龙PLC的功能

第二层：物联网协议层（统一封装层）

这一层将不同厂商的专有协议统一封装成标准化的物联网协议：

设备层协议 → PLC层协议 -> 通用物联网协议（MQTT等） → 物联网平台

PLC内部协议集成机制

协议支持方式

方式一：硬件模块集成

• 通信模块：PLC通过扩展通信模块支持特定协议
• 协议芯片：内置协议处理芯片
• 固件支持：PLC固件中集成了协议栈

方式二：软件协议栈

• 协议库：PLC内部运行协议处理程序
• 协议转换：实时转换不同协议的数据格式

协议扩展方式

硬件扩展

PLC + 通信模块 = 支持新协议

例如：
西门子S7-1200 + CP1243-1 = 支持GPRS通信
三菱FX3U + FX3U-ENET-ADP = 支持以太网通信

协议转换器

设备 → 协议转换器 → PLC

例如：
CAN设备 → CAN转Modbus转换器 → 支持Modbus的PLC
EtherCAT设备 → EtherCAT转Profibus网关 → 支持Profibus的PLC

协议支持的影响

1. PLC内部确实集成了多种设备协议，这是通过硬件模块、固件或软件协议栈实现的

2. 如果PLC不支持某种协议，就无法直接连接使用该协议的设备，需要：
   • 使用协议转换器
   • 更换支持该协议的PLC
   • 使用支持该协议的通信模块

3. 协议支持能力是选择PLC的重要考虑因素，需要根据现有设备和未来需求来选择

4. 现代PLC通常支持主流协议，但特殊协议可能需要额外投资

因此，不同厂商的PLC在协议支持上会有差异，有些项目需要选择特定品牌的PLC来满足协议兼容性要求。